切削模具钢的专用高效刀具涂层
作为典型难加工材料的高硬度模具钢(硬度达HRC60~65)，由于具有延伸率小、塑性低，耐磨性好等诸多优良的性能，且易于形成高光洁加工表面，在汽车、电子等诸多行业模具制造中得到广泛的应用。
长期以来，人们较多采用磨削或者电火花加工(EDM) 的方法实现对模具的加工。虽然电火花加工具有与工件硬度无关的工艺特点，但较低的材料去除率使它的应用范围受到限制。随着现代加工技术的发展及及超硬铣刀材料和先进耐热涂层的出现，以铣代磨、以铣代EDM 进行高效经济的高硬度模具钢的加工已成为可能，并在生产中取得了显著的经济效益。
对高硬度淬硬钢进行高效铣削是一种先进加工技术，属于有效的硬铣技术之一。采用硬铣技术加工模具，不但使加工周期大为缩短,而且加工质量得到了可靠保证。但是由于淬硬钢本身硬度很高，对其进行铣削加工时存在着由于切削温度和切削力过高引起的诸多问题，如较差的表面质量以及较低的刀具寿命等，因此对切削刀具材料的要求极为苛刻，故常采用硬质合金、陶瓷或CBN刀具加工；但是更多的、更经济的是采用各种先进涂层硬质合金刀具，因目前先进的涂层技术能够使各类涂层刀具制备成为现实，很好地满足切削加工过程对刀具的耐磨性和韧性的苛刻要求。特别是当目前这种高硬度模具钢普遍采用干式切削时，采用新型涂层刀具进行加工更是其发展趋势。
刀具涂层的优劣会直接影响切削淬硬钢的加工效率和加工精度。高性能的刀具涂层能成倍地提高生产效率，且能方便地得到最佳尺寸精度、形状精度和表面质量的零件。此外对于刀具涂层来说，需要能够对生产条件进行正确匹配，如果不考虑这一点，一昧地使用超高性能涂层铣刀，效果反而适得其反，不仅增加成本而且降低稳定性和加工质量，故此开发与生产条件相匹配的刀具涂层至关重要。
上海工具厂有限公司采用阴极大平面矩形靶沉积技术，辅以特殊的涂前预处理技术，在传统TiAlN工艺基础上优化涂层梯度结构，大大提高膜基结合力与涂层韧性，目前开发出了专用于高效铣削高硬度材料的新型硬质合金刀具涂层－火凤凰系列涂层，该涂层具有高显微硬度(≥Hv3500)、低切削阻力、良好的抗高温(≥900℃)与摩擦磨损等性能。
我们选用极具代表性的整体淬硬模具钢SKD11(HRC61)进行铣削实验，图1给出了其1000倍的金相显微图。
试验使用的铣刀共有三类，分别是火凤凰涂层铣刀、常用于高硬度模具钢加工的TiAlN涂层铣刀以及无涂层铣刀，三类刀具几何结构一致，刀具材质皆为相同牌号的硬质合金，刀具直径为12mm，均为4齿，使用干式铣削，铣削参数为切削速度80m/min，每齿进给量0.1mm/z，轴向切深6mm，径向切深0.3mm，铣刀悬长30mm。
图2所示为火凤凰涂层铣刀、TiAlN涂层铣刀以及无涂层铣刀三类铣刀的切削合力对比。从图中可以看出，火凤凰涂层刀具具有最小的切削力，其切削力比TiAlN涂层低25%，比无涂层刀具低30%，这得益于火凤凰涂层带来的良好的摩擦性能，切削过程中能够有效的降低摩擦力，从而使得切削力降低。
图3所示为火凤凰涂层铣刀、TiAlN涂层铣刀以及无涂层铣刀三类铣刀的切削温度对比。从图中可以看出，无涂层刀切削温度最大，而涂层铣刀切削温度较小。可见火凤凰涂层能够将切削温度控制在一个较小的范围内，这对切削过程有着极大的益处，这能够使刀具磨损情况改善，有效提高刀具耐用度。
图4所示为火凤凰涂层铣刀、TiAlN涂层铣刀以及无涂层铣刀三类铣刀的刀具后刀面磨损曲线对比对比。从图中可以看出，无涂层刀在切削开始阶段即告失效，而TiAlN涂层刀具在铣削长度达到10米的时候后刀面磨损达到了0.31mm，刀具失效。而火凤凰涂层铣刀在铣削10m之后，其后刀面磨损仅为0.11mm，可见火凤凰涂层铣刀有更长的刀具寿命。图6和图7分别给出了火凤凰铣刀和TiAlN涂层铣刀的磨损过程照片。
从图5中可以看出在火凤凰涂层铣刀在整个加工过程中刀具磨损很均匀，切削状态较好，故此该涂层刀具对淬硬钢具有良好的切削性能。而TiAlN涂层刀具在铣削距离为8m时，刀具开始发生崩刃现象，在铣削距离为10m时刀具失效。此外，火凤凰涂层铣刀粘屑情况也明显比TiAlN涂层铣刀要轻微。为了对其磨损情况进行进一步分析，将其刀具最终磨损形态使用SEM照片进行深入分析，图8为火凤凰涂层刀具的主切削刃后刀面不同放大倍数的SEM照片。从图中可以看出刀具磨损状态较好，但是加工后期出现了一定程度的微崩刃，同时刀刃磨损带出现了轻微粘结。图8给出了后刀面磨损位置的EDS分析，此处的刀具涂层已完全被剥离，扫描区域所显示的成分为硬质合金基体的组元W和Co。
图9给出了磨损带粘结物的EDS分析，所扫描的元素成分表明刀刃上粘结的片状黑色粘结物为模具钢材料(Fe、Cr和Mn)。
从以上分析可以知道，在铣削高硬度淬硬模具钢的过程中，火凤凰涂层刀具具有很好的切削性能，具有更小的切削力和切削温度，能够得到更大的刀具寿命，刀具磨损过程平稳。
由于采用整体涂层铣刀铣削高硬度模具钢大多是对模具进行精加工，故此必须保证良好的表面质量。而加工表面质量是衡量模具加工的重要指标，特别是目前大型模具加工所占比例不断增长，在加工过程中不仅要求铣刀耐用度较好，而且更关键的是在刀具耐用度内所加工的工件表面质量能够得到保障。故此在开发高性能涂层铣刀必须要考虑保证良好铣削表面质量。
所评测的火凤凰涂层和TiAlN涂层铣刀在切削过程中表现出了一些共性，在稳定加工阶段三类刀具所加工的表面粗糙度均能够达到Ra0.4µm左右。此外已加工表面硬度在整个加工过程是一个先硬化后软化的过程，加工前期表面硬度比原始工件表面硬度要高约30至50Hv，而加工后期则低约40 Hv左右，在刀具正常磨损阶段表面硬度和工件原始硬度几乎一致。故此这里需要提起注意的是，更长的刀具寿命才有利于保证更多稳定的切削表面，无疑，火凤凰涂层铣刀更长的刀具寿命能够得到更高质量的加工表面。
在表面质量的一个重要指标——已加工表面的残余应力指标中，火凤凰涂层铣刀则表现出了其优势。图10为残余应力测量方向示意图，X方向是刀具进给方向，Y方向是垂直于刀具进给方向的轴向。图11和图12分别为三类铣刀在正常磨损阶段已加工表面X方向和Y方向残余应力对比。从图中可以看出，三类铣刀都向已加工表面施加了相反方向的应力。由于涂层后导致铣刀钝化，故此涂层铣刀引入的应力普遍比无涂层要大。从保证被加工零件特别是模具工作稳定性以及延长零件寿命这方面考虑，绝大多数加工研究保证其压应力的引入，故此铣刀作为精加工最后一道工序，对被加工零件的应力分布极为重要，这也是保证被加工零件质量的重要一环，而这个因素却很少被制造者注意到。从图中可以看出，上海工具厂有限公司所开发的火凤凰涂层铣刀引入的应力远远小于TiAlN涂层铣刀。常规TiAlN涂层铣刀在加工过程中引入了极大的拉应力，这是被加工零件，特别是模具提前失效的主要原因之一。故此，在延长被加工零件寿命和提高被加工零件质量方面，火凤凰涂层铣刀更胜一筹。
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